DE19629260C1 - Electro-optical phase modulator with direction-independent impulse response, arrangement of electro-optical phase modulators and use of an electro-optical phase modulator - Google Patents
Electro-optical phase modulator with direction-independent impulse response, arrangement of electro-optical phase modulators and use of an electro-optical phase modulatorInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen elektrooptischen Phasenmodulator mit integriert op tischem Wellenleiter und beidseitig in konstantem gegenseitigem Abstand von der optischen Achse entlang des Wellenleiters angeordneten Modulationselektro den.The invention relates to an electro-optical phase modulator with an integrated op table waveguide and on both sides at a constant mutual distance from the modulation electrode arranged along the waveguide along the optical axis the.
Phasenmodulatoren dieser Gattung werden in erster Linie in faseroptischen Sagnac-Interferometern, die das eigentliche Drehratenmeßinstrument bei faser optischen Kreiseln (FOGs = Fiber Optic Gyroscopes) bilden, oder auch als Kern element bei anderen interferometrischen Meßeinrichtungen verwendet, etwa bei Mach-Zehnder-Interferometern.Phase modulators of this type are primarily used in fiber optics Sagnac interferometers, which are the actual rotation rate measuring instrument for fiber form optical gyroscopes (FOGs = Fiber Optic Gyroscopes), or as a core element used in other interferometric measuring devices, such as Mach-Zehnder interferometers.
Die der Erfindung zugrunde liegende Problematik und Aufgabenstellung sei je doch im folgenden mit Bezug auf einen faseroptischen Kreisel (FOG) erläutert.The problem and task underlying the invention are depending but explained below with reference to a fiber optic gyroscope (FOG).
Bei faseroptischen Kreiseln moderner Bauart wird häufig ein integriert optischer Chip (IO-Chip) verwendet der auf der Eingangsseite in der Regel einen integrier ten Polarisator, sodann eine Y-Verzweigung und zwei gleichabständig entlang der optischen Achsen nach der Y-Verzweigung in bestimmter Konfiguration angeord nete Elektroden zweier Phasenmodulatoren aufweist, welche die beiden in die En den einer Faserspule in Gegenrichtung eingestrahlten Lichtstrahlen in bestimm ter, weiter unten näher erläuterten Weise modulieren. Verschiedene Ausfüh rungsvarianten solcher Phasenmodulatoren oder digitaler Phasenschieber sind in den Druckschriften US 5 137 359, US 5 237 629 und US 5 400 142 beschrieben. Ein FOG mit dieser Art von Phasenmodulator weist eine Empfindlichkeit gegen über in den Phasenmodulator eingestreuten Störsignalen auf.With modern fiber optic gyroscopes, an integrated optical one is often used Chip (IO chip) usually uses an integrated on the input side th polarizer, then one Y-branch and two equally spaced along the optical axes arranged according to the Y-branch in a specific configuration nete electrodes of two phase modulators, which the two in the En determine the light rays radiated into a fiber spool in the opposite direction modulate ter, explained in more detail below. Different versions tion variants of such phase modulators or digital phase shifters in the publications US 5 137 359, US 5 237 629 and US 5 400 142. A FOG with this type of phase modulator shows sensitivity to via interference signals interspersed in the phase modulator.
Die Einkopplung solcher Störsignale in den den Phasenmodulator enthaltenden MIOC-Pfad (MIOC = Modulierender IO-Chip) läßt sich, wie nachfolgend erläutert, analysieren.The coupling of such interference signals into the one containing the phase modulator MIOC path (MIOC = modulating IO chip) can, as explained below, analyze.
Störsignale, die in den MIOC-Pfad einkoppeln, können unter bestimmten Um ständen Bias-Fehler hervorrufen. Im folgenden soll untersucht werden, wie sich periodische Störsignale auswirken, wenn eine Fehlabstimmung des Kreisel-Ab tasttakts gegenüber der Durchlaufzelt des Lichts durch die Faser vorliegt. Neben einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber derartigen Einkopplungen bewirkt ei ne Fehlabstimmung noch weitere Störeffekte, wie beispielsweise erhöhten Ran dom-Walk. Diese Effekte sollen hier jedoch nicht untersucht werden. Um dem Le ser die Möglichkeit zu geben, sich mit der Funktionsweise von Sagnac-Interfero metern mit Random-Modulation und geschlossenem, rückstellendem Regelkreis vertraut zu machen, sei auf die europäischen Patente EP 0 498 902 und EP 0 551 537 verwiesen.Interference signals that couple into the MIOC path can under certain circumstances would cause bias errors. In the following it will be examined how periodic interference signals affect if the gyro-Ab tactaktts opposite the passage tent of light through the fiber is present. Next causes an increased sensitivity to such coupling ne misalignment and other disruptive effects, such as increased Ran dom walk. However, these effects should not be examined here. To Le to give the opportunity to learn how Sagnac-Interfero works meters with random modulation and closed, resetting control loop To familiarize yourself with the European patents EP 0 498 902 and EP 0 551 537 referred.
Um die Auswirkung von Störeinkopplungen bei Fehlabstimmung erfassen zu können, genügt es, das Sagnac-Interferometer bei geöffneter Regelschleife zu be trachten (vgl. Fig. 1). Es sei T der Abtasttakt des Systems und gleichzeitig die Peri ode einer einkoppelnden Störspannung, T₀ sei die davon abweichende Durch laufzeit des Lichts, ϕ(t) sei die durch den Modulator hervorgebrachte Phasenmo dulation und ϕs(t) sei die Sagnac-Phase. Unter Vernachlässigung von Gleich spannungskomponenten und Verstärkungsfaktoren im Detektorpfad gilt für das Ausgangssignal y(t) des Interferometers:In order to be able to record the effects of interference injections in the event of a misalignment, it is sufficient to consider the Sagnac interferometer with the control loop open (cf. FIG. 1). Let T be the sampling clock of the system and at the same time the period of an incoming interference voltage, T₀ be the deviating passage time of the light, ϕ (t) be the phase modulation produced by the modulator and ϕ s (t) be the Sagnac phase. Neglecting DC components and amplification factors in the detector path, the following applies to the output signal y (t) of the interferometer:
y(t) = cos(ϕ(t)-ϕ(t-T₀) + ϕs(t)) (1)y (t) = cos (ϕ (t) -ϕ (t-T₀) + ϕ s (t)) (1)
Nimmt man nun an, daß durch eine geeignete, im Takte T wirkende, dem Signal ϕ(t) überlagerte Modulationsspannung in bekannter Weise eine Aussteuerung an die Wendepunkte der Interferometerkennlinie vorgenommen und das jeweils wirksame Vorzeichen der Steigung der Kennlinie durch ein ebenfalls im Takte T wirkendes Demodulatorsignal kompensiert wird, dann kann das Interferometer näherungsweise durch eine KennlinieNow suppose that by a suitable, acting in the clock T, the signal ϕ (t) superimposed modulation voltage on a modulation in a known manner made the turning points of the interferometer characteristic and that in each case effective sign of the slope of the characteristic curve by a also in cycle T acting demodulator signal is compensated, then the interferometer approximately by a characteristic curve
y(t) = sin(ϕ(t)-ϕ(t-T₀) + ϕs(t)) (2)y (t) = sin (ϕ (t) -ϕ (t-T₀) + ϕ s (t)) (2)
ohne Modulations- und Demodulationssignale beschrieben werden. Die Nähe rung gilt strenggenommen nur für T = T₀. Für T ≠ T₀ treten in schmalen Über gangsbereichen zusätzliche Transienten auf, die in der obigen Gleichung nicht berücksichtigt sind. Da diese Transienten lediglich zu einer Erhöhung des Ran dom-Walk beitragen, und um die Rechnung zu vereinfachen, sei die Gültigkeit von (2) auch für T ≠ T₀ unterstellt, sofern die Fehlabstimmung nicht zu groß ist. Eine weitere Vereinfachung ergibt sich durch Linearisierung der Sinusfunktion:be described without modulation and demodulation signals. The closeness Strictly speaking, only applies to T = T₀. For T ≠ T₀ occur in narrow overs additional transients that are not in the above equation are taken into account. Since these transients only increase the Ran dom-Walk, and to simplify the calculation, the validity of (2) also assumed for T ≠ T₀, provided the misalignment is not too great. A further simplification results from linearization of the sine function:
y(t) = ϕ(t)-ϕ(t-T₀) + ϕs(t) (3)y (t) = ϕ (t) -ϕ (t-T₀) + ϕ s (t) (3)
Dieses Signal wird durch ein im Datenpfad angeordnetes Filter gefiltert und dann abgetastet, wobei sich der n-te Abtastwert yn durch eine gewichtete Mittelung im Intervall [(n-1)T, nT] berechnet. Gewichtungsfunktion ist die an der Zeitachse gespiegelte Impulsantwort h(t) des Filters. Außerhalb des Intervalls entstehen keine Beiträge, selbst wenn die Impulsantwort dort nicht verschwindet, weil auf grund der statistischen Modulation demodulierte Signalanteile außerhalb des genannten Intervalls unkorreliert sind. Damit istThis signal is filtered by a filter arranged in the data path and then sampled, the nth sample value y n being calculated by a weighted averaging in the interval [(n-1) T, nT]. Weighting function is the impulse response h (t) of the filter mirrored on the time axis. There are no contributions outside the interval, even if the impulse response does not disappear there, because demodulated signal components outside the interval mentioned are uncorrelated due to the statistical modulation. So that is
Die Funktion h[t] sei o.B.d.A. so normiert, daßThe function h [t] is o.B.d.A. so standardized that
gelte. Die gemittelte Drehrate ergibt sich ausapply. The average yaw rate results from
Damit istSo that is
Bei hinreichend stationären Signalen ist die Mittelwertbildung über eine Folge xn unabhängig von einer Indexverschiebung, d. h. es istIn the case of sufficiently stationary signals, the averaging over a sequence x n is independent of an index shift, ie it is
Damit kann im zweiten Integral von (7) der Index n durch n + 1 ersetzt werden. Es sei ΔT = T₀-T die Taktverstimmung. Dann wirdIn the second integral of (7), the index n can thus be replaced by n + 1. It let ΔT = T₀-T be the clock detuning. Then it will be
Bei genügend kleinem ΔT ist ϕ′(t)ΔT ≈ ϕ(t)-ϕ(t-ΔT). Mit dieser Näherung ergibt sich schließlichIf the ΔT is sufficiently small, ϕ ′ (t) ΔT ≈ ϕ (t) -ϕ (t-ΔT). With this approximation it follows finally
Es sei nun ϕ(t) = ϕ(t + nT) ein mit T periodisches Signal. Ferner sei ϕs(t) = ϕS = const. Dann istLet ϕ (t) = ϕ (t + nT) be a periodic signal with T. Furthermore let ϕ s (t) = ϕ S = const. Then
Als Beispiel sei angenommen, daß h(t) = 2/T ist für t < T/2 und h(t) = 0 für t < T/2. Für ϕ(t) gelte im Bereich t ∈ [0, T) ϕ(t) = ϕ₀ für t ∈ [0, T/4) ν t ∈ [3T/4, T) und ϕ(t) = -ϕ₀ für t ∈ [T/4, 3T/4). Außerhalb des Bereichs t ∈ [0, T) werde ϕ(t) gemäß ϕ(t) = ϕ(t + nT) periodisch fortgesetzt.As an example, assume that h (t) = 2 / T for t <T / 2 and h (t) = 0 for t <T / 2. For ϕ (t) apply in the range t ∈ [0, T) ϕ (t) = ϕ₀ for t ∈ [0, T / 4) ν t ∈ [3T / 4, T) and ϕ (t) = -ϕ₀ for t ∈ [T / 4, 3 T / 4 ). Outside the range t ∈ [0, T), ϕ (t) is periodically continued according to ϕ (t) = ϕ (t + nT).
Die gemessene Phase ist also der relativen Verstimmung ΔT/T und der Amplitu de der Einstreuung ϕ₀ proportional. Nimmt man als relative Verstimmung 100 ppm (ΔT/T = 10-4) und als Amplitude der Einstreuung ϕ₀ = 2π·10-2 an, dann ist bei einem Kreisel mit einer 2π-Drehrate von 2000°/s der durch die Einstreuung verursachte Bias-Fehler:The measured phase is therefore proportional to the relative detuning ΔT / T and the amplitude of the scattering ϕ₀. Assuming 100 ppm (ΔT / T = 10 -4 ) as the relative detuning and Ampl = 2π · 10 -2 as the amplitude of the scattering, then with a gyro with a 2π rotation rate of 2000 ° / s that is caused by the scattering Bias errors:
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrooptischen Phasenmodu lator für faseroptische Interferometer, insbesondere für faseroptische Kreisel zu schaffen, bei dem die bisher beobachtete Empfindlichkeit gegenüber eingestreu ten Störsignalen vollständig oder zumindest weitgehend beseitigt ist.The invention has for its object an electro-optical phase mod lator for fiber optic interferometers, especially for fiber optic gyros create, in which the previously observed sensitivity to interspersed th interference signals is completely or at least largely eliminated.
Ausgangspunkt für die Erfindung ist die Erkenntnis, daß die Empfindlichkeit von elektrooptischen Phasenmodulatoren der genannten Art sich theoretisch auf Null reduzieren läßt, wenn die Zeit des Arbeitstakts des Interferometers bzw. Kreisels mit der Umlaufzeit des Lichts vom ersten Phasenmodulator über die Fa serspule bis zum gegenüberliegenden Phasenmodulator ins Übereinstimmung ge bracht wird. Es wurde erkannt, daß es hierzu notwendig ist, Maßnahmen zu tref fen, die sicherstellen, daß der Phasenmodulator in beiden Durchlaufrichtungen des Lichts die selbe Impulsantwort besitzt.The starting point for the invention is the knowledge that the sensitivity of electro-optical phase modulators of the type mentioned theoretically Can be reduced to zero if the time of the work cycle of the interferometer or Gyro with the orbital period of the light from the first phase modulator via the company coil up to the opposite phase modulator is brought. It was recognized that this requires taking measures fen, which ensure that the phase modulator in both pass directions of light has the same impulse response.
Die technische Lehre der Erfindung läßt sich damit für einen elektrooptischen Phasenmodulator mit integriert optischem Wellenleiter und beidseitig in kon stantem gegenseitigem Abstand von der optischen Achse entlang des Wellenlei ters angeordneten Modulationselektroden dadurch kennzeichnen, daß die Elek troden so angeordnet sind, daß die raumzeitliche Ausbreitung der Potentiale auf den Elektroden und des elektrischen Felds zwischen den Elektroden eine symme trisch verteilte Impulsantwort erzeugen. The technical teaching of the invention can thus be for an electro-optical Phase modulator with integrated optical waveguide and on both sides in con constant distance from the optical axis along the waveguide ters arranged modulation electrodes characterized in that the elec trodes are arranged so that the spatiotemporal spread of the potentials the electrodes and the electric field between the electrodes symme generate a distributed impulse response.
Dieser Grundgedanke der Erfindung eignet sich sowohl für analoge als auch für digitale Phasenmodulatoren beim Einsatz in FOGs.This basic idea of the invention is suitable for both analog and digital phase modulators when used in FOGs.
Für einen digitalen Phasenmodulator gilt dann als bevorzugte Ausführungsform, daß mehrere Paare parallel ansteuerbarer, hinsichtlich ihrer Längserstreckung binär abgestufte Elektroden mit einer zwischen diesen binär abgestuften Elektro den angeordneten Gegenelektrode vorgesehen werden, wobei jede Binärstufe aus zwei Teilelektroden besteht und die Symmetriepunkte aller Binärstufen überein stimmen, derart, daß die komplette Elektrodenanordnung eine symmetrisch ver teilte Impulsantwort erzeugt.For a digital phase modulator, the preferred embodiment is that several pairs can be controlled in parallel with regard to their longitudinal extension binary graded electrodes with a binary graded electro between them the arranged counter electrode can be provided, with each binary stage there are two sub-electrodes and the symmetry points of all binary stages match agree, such that the complete electrode arrangement ver a symmetrical shared impulse response generated.
Im folgenden werden die Bedingungen abgeleitet und einzelne Bauformen für Phasenmodulatoren erläutert, die erfindungsgemäß in beiden Durchlaufrich tungen des Lichts dieselbe Impulsantwort liefern.In the following, the conditions are derived and individual designs for Phase modulators explained that according to the invention in both Durchrichrich of light deliver the same impulse response.
Bei den heute verwendeten Bauformen solcher Phasenmodulatoren auf integriert optischen Chips, besonders bei den digitalen Varianten (vgl. US 5 137 359), wird in der Regel die im folgenden abgeleitete Symmetriebedingung nicht erfüllt. Bei hochgenauen faseroptischen Meßeinrichtungen, insbesondere bei FOGs, ist da mit der erforderliche Abgleich der Abtasttaktzeit an die Lichtdurchlaufzelt nicht möglich.In the designs of such phase modulators used today, integrated on optical chips, especially in the digital variants (cf. US 5 137 359) usually the symmetry condition derived below is not met. At high-precision fiber optic measuring devices, especially in FOGs, is there with the necessary adjustment of the sampling clock time to the light passage tent possible.
Es werden zunächst die Bedingungen für ein ideales moduliertes Sagnac-Interfe
rometer beschrieben:
Beim idealen modulierten Sagnac-Interferometer ist die Auslesefunktion am
Photodetektor nach der Demodulation unter Weglassung der Modulationssigna
le, unabhängig vom Modulationsverfahren wie oben bereits dargestellt:The conditions for an ideal modulated Sagnac interferometer are first described:
With the ideal modulated Sagnac interferometer, the readout function on the photodetector after demodulation is omitted, regardless of the modulation method, as shown above:
y(t) = αu(t)-αu(t-T₀) + ϕs(t) (14)y (t) = αu (t) -αu (t-T₀) + ϕ s (t) (14)
Dabei ist u(t) die am Phasenmodulator wirkende Rückstellspannung (bzw. Stör spannung), α der elektro-optische Übertragungsfaktor, ϕs(t) die Sagnac-Phase und T₀ die Lichtdurchlaufzeit vom Mittelpunkt zum Mittelpunkt der Phasenmo dulatoren durch die Spule des FOG. Im folgenden seiHere u (t) is the reset voltage acting on the phase modulator (or interference voltage), α the electro-optical transmission factor, ϕ s (t) the Sagnac phase and T₀ the light throughput time from the center to the center of the phase modulators through the coil of the FOG . In the following
u(t) = u(t + T) (15)u (t) = u (t + T) (15)
eine mit dem Arbeitstakt T periodische Störspannung. Hiermit, und mit ϕs = 0 wirda periodic interference voltage with the operating cycle T. With this, and with ϕ s = 0
y(t) = α(u(t)-u (t-T₀ + T)) (16)y (t) = α (u (t) -u (t-T₀ + T)) (16)
Bei idealer Abstimmung T = T₀ wird als y(t) = 0.If T = T₀ is ideal, y (t) = 0.
Der Aufbau eines realen faseroptischen Interferometers ist in Fig. 1 der beigefüg ten Zeichnungen dargestellt.The structure of a real fiber optic interferometer is shown in Fig. 1 of the accompanying drawings.
Das von einer Lichtquelle D stammende Licht wird an einer Y-Verzweigung Y in zwei Teile aufgespalten, die dann die Modulatoren m₁ und m₂, alsdann gegensin nig die Spule S und dann nochmals die beiden Modulatoren m₁, m₂ durchlaufen. Die Lichtstrahlen werden unter einer gegenseitigen PhasenverschiebungThe light coming from a light source D is at a Y-branch Y in split two parts, which then the modulators m₁ and m₂, then mutually nig the coil S and then again go through the two modulators m₁, m₂. The light rays are under a mutual phase shift
ϕ = ϕm + ϕs (17)ϕ = ϕ m + ϕ s (17)
wieder vereinigt, wobei ϕm die durch die Modulatoren erzeugte Phase und ϕs die Sagnac-Phase ist. Beide Modulatoren werden durch dieselbe Spannung u(t) an gesteuert. Die Laufzeit des Lichts vom Mittelpunkt des Modulators m₁ zum Mit telpunkt des Modulators m₂ sei T₀. Dann ergibt sich für die Phase ϕm bei gegen sinniger Polung der beiden Modulatoren:reunited, where ϕ m is the phase generated by the modulators and ϕ s is the Sagnac phase. Both modulators are controlled by the same voltage u (t) on. The duration of the light from the center of the modulator m₁ to the center of the modulator m₂ be T sei. Then for the phase ϕ m with opposite polarity of the two modulators:
ϕm = α₁⁺(t) * u(t) + α₂⁺(t) * u(t)-α₁⁻(t) * u(t-T₀)-α₂⁻(t) * u(t-T₀) (18)ϕ m = α₁⁺ (t) * u (t) + α₂⁺ (t) * u (t) -α₁⁻ (t) * u (t-T₀) -α₂⁻ (t) * u (t-T₀) (18)
Hierbei ist αn⁺(t) die elektrooptische Impulsantwort des Modulators mn (n = 1, 2) in der Durchlaufrichtung von rechts nach links, während αn⁻(t) die elektroopti sche Impulsantwort der Modulatoren für die Durchlaufrichtung von links nach rechts ist. Der Stern * kennzeichnet die Faltung:Here, α n ⁺ (t) is the electro-optical impulse response of the modulator m n (n = 1, 2) in the direction from right to left, while α n ⁻ (t) is the electro-optic impulse response of the modulators for the direction of movement from left to right is. The asterisk * indicates the folding:
α(t) * u(t) = ∫ α(τ)u(t-τ)dτ (19)α (t) * u (t) = ∫ α (τ) u (t-τ) dτ (19)
Falls nun das Interferometer mit T = T₀ betrieben und mit einer in T periodischen Spannung u(t) beaufschlägt wird, ergibt sichIf the interferometer is now operated with T = T₀ and with a periodic one in T. Voltage u (t) is applied, results
y(t) = (α₁⁺(t) + α₂⁺(t)-α₁⁻(t)-α₂⁻(t)) * u(t) (20)y (t) = (α₁⁺ (t) + α₂⁺ (t) -α₁⁻ (t) -α₂⁻ (t)) * u (t) (20)
Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung in weiteren Einzelheiten erläutert. Es zeigen:The invention and advantageous details are described below with reference to the Drawing explained in more detail. Show it:
Fig. 1 den bereits oben kurz erläuterten prinzipiellen Aufbau eines realen Sagnac-Interferometers;1 shows the above briefly described basic structure of a real Sagnac interferometer.
Fig. 2 einen elektrooptischen Phasenmodulator, erfindungsgemäß als System mit verteilter Impulsantwort; Fig. 2 is an electro-optical phase modulator, according to the invention as a system with distributed impulse response;
Fig. 3 in schematischer Darstellung die Elektrodenanordnung für eine grund sätzliche Lösungsvariante eines elektrooptischen digitalen Phasenmo dulators mit optimiert verteilter Impulsantwort gemäß der Erfindung; Fig. 3 is a schematic illustration of the electrode assembly for a basic additional variant of the solution of an electro-optical digital Phasenmo Demodulator with optimized distributed impulse response according to the invention;
Fig. 4 eine andere grundsätzliche Ausführungsform einer Elektrodenanord nung für einen digitalen Phasenmodulator, der hinsichtlich der raum zeitlichen Ausbreitung angelegter Potentiale den Symmetrieanforderun gen gemäß der Erfindung entspricht; und Fig. 4 shows another embodiment of a basic electrode driving North voltage for a digital phase modulator, the spatial-temporal propagation of applied potentials corresponding to with respect to the Symmetrieanforderun gene according to the invention; and
Fig. 5A, B in schematischer Darstellung die Elektrodenanordnung analoger Pha senmodulatoren gemäß der Erfindung, wobei Fig. 5A eine spiegelsymme trische und Fig. 5B eine punktsymmetrische Elektrodenanordnung ver anschaulichen. Fig. 5A, B shows a schematic illustration, the electrode assembly analog Pha senmodulatoren according to the invention, wherein Fig. 5A is a spiegelsymme tric and Fig. 5B illustrative a point-symmetrical electrode arrangement ver.
Phasenmodulatoren, die der Erfindung entsprechen, seien prinzipiell wie in Fig. 2 dargestellt aufgebaut. Der optisch aktive Bereich, gekennzeichnet durch das dargestellte Rechteck R, verlaufe entlang der sich von rechts nach links er streckenden x-Achse, wobei seine Ausdehnung durch das Intervall [-x₀, x₀] be grenzt sei. Die Steuerspannung u(t) kopple nun mit einer von x abhängigen Im pulsantwort h(x, t) in jeden Punkt des aktiven Bereichs ein und erzeuge dort eine inkrementelle Phasenverschiebung. Wenn nun ν die Ausbreitungsgeschwindig keit des Lichts im aktiven Bereich sei, werden die elektrooptischen Impulsant worten:Phase modulators which correspond to the invention are in principle constructed as shown in FIG. 2. The optically active area, characterized by the rectangle R shown, runs along the x-axis extending from right to left, its extent being limited by the interval [-x₀, x₀] be. The control voltage u (t) now couples with an impulse response h (x, t) that is dependent on x into every point of the active area and generates an incremental phase shift there. If ν is the speed of light propagation in the active area, the electro-optical impulse responses will be:
undand
Das Ziel ist, y(t) in (20) zu Null zu machen. Hierfür gibt es gemäß der Erfindung zwei Möglichkeiten. Im ersten Fall wählt manThe goal is to make y (t) zero in (20). For this there are according to the invention two possibilities. In the first case you choose
αn⁺ = αn⁻ (23)α n ⁺ = α n ⁻ (23)
Das wird gemäß (21) und (22) erfüllt fürThis is fulfilled for (21) and (22)
hn(x, t) = hn(-x, t) (24)h n (x, t) = h n (-x, t) (24)
Die zweite Möglichkeit führt zuThe second option leads to
α₁⁺ = α₂⁻ (25)α₁⁺ = α₂⁻ (25)
Daraus folgtIt follows
h₁(x, t) = h₂(-x, t) (26)h₁ (x, t) = h₂ (-x, t) (26)
wodurch automatisch auchwhich also automatically
h₂(x, t) = h₁(-x, t) (27)h₂ (x, t) = h₁ (-x, t) (27)
und damitand thus
a₂⁺ = α₁⁻ (28)a₂⁺ = α₁⁻ (28)
erfüllt wird. Daraus folgt schließlich y(t) = 0.is fulfilled. From this it follows that y (t) = 0.
Die Symmetrieanforderungen für ein Elektroden-Layout, das die Bedingungen
der Erfindung erfüllt, wird nachfolgend erläutert:
Der Phasenmodulator der erfindungsgemäßen Art, insbesondere für einen faser
optischen Kreisel, kann als integrierter optischer Baustein (Chip) hergestellt
sein, wobei ein optischer Wellenleiter in ein geeignetes Material, insbesondere
LiNbO₃ oder LiTaO₃, eindiffundiert wird. Dieser Wellenleiter hat einen optischen
Brechungsindex, der von einem angelegten elektrischen Feld abhängig ist. Das
notwendige elektrische Feld wird durch die auf der Oberfläche des Bausteins par
allel zum Wellenleiter angeordneten Elektroden erzeugt.The symmetry requirements for an electrode layout that meets the conditions of the invention are explained below:
The phase modulator of the type according to the invention, in particular for a fiber optic gyroscope, can be produced as an integrated optical component (chip), an optical waveguide being diffused into a suitable material, in particular LiNbO₃ or LiTaO₃. This waveguide has an optical refractive index that is dependent on an applied electric field. The necessary electrical field is generated by the electrodes arranged parallel to the waveguide on the surface of the module.
Ein dem oben erläuterten ersten Fall (Gleichung (23)) entsprechende Elektroden anordnung zeigt Fig. 3 für einen aktiven Kanal 1 des symmetrisch aufgebauten Paars von Phasenmodulatoren m₁ oder m₂. Mit 2 sind Elektrodenanschlüsse für die binär ansteuerbaren Elektroden des digitalen Modulators bezeichnet. Be zugshinweis 4 kennzeichnet eine beiden Modulatoren m₁, m₂ gemeinsam zuge ordnete Gegenelektrode.An electrode arrangement corresponding to the first case explained above (equation (23)) is shown in FIG. 3 for an active channel 1 of the symmetrically constructed pair of phase modulators m 1 or m 2. 2 denotes electrode connections for the binary-controllable electrodes of the digital modulator. Be train note 4 denotes a two modulators m₁, m₂ assigned to the counter electrode.
Die verteilte Impulsantwort h(x, t) ist demnach von der raumzeitlichen Vertei lung des erzeugten elektrischen Felds abhängig. Die im vorangegangenen Ab schnitt hergeleiteten Symmetrieforderungen für die verteilten Impulsantworten hn(x, t) können erfüllt werden durch symmetrische Elektrodenanordnungen auf dem Phasenmodulator, wobei auch die raumzeitliche Ausbreitung der Potentiale auf den Elektroden den Symmetrieforderungen genügen muß. Dies gilt sowohl für digitale (Fig. 3 und 4) als auch für analoge Modulatoren (Fig. 5A, B).The distributed impulse response h (x, t) is therefore dependent on the spatiotemporal distribution of the generated electric field. The symmetry requirements derived in the preceding section for the distributed impulse responses h n (x, t) can be met by symmetrical electrode arrangements on the phase modulator, the spatial-temporal propagation of the potentials on the electrodes also having to satisfy the symmetry requirements. This applies both to digital ( FIGS. 3 and 4) and to analog modulators ( FIGS. 5A, B).
Bei digitalen Modulatoren (vgl. Fig. 3) wird für jede Bitwertigkeit eine eigene Elek trodenanordnung vorgesehen, wobei die Gewichtungen durch entsprechende Flächenverhältnisse realisiert werden. Die Symmetriebedingungen müssen für jedes einzelne Bit erfüllt werden, wobei die Symmetriepunkte aller Bits überein stimmen müssen, so daß letzten Endes die Symmetriebedingung für die komplet te Elektrodenanordnung erfüllt ist.In the case of digital modulators (cf. FIG. 3), a separate electrode arrangement is provided for each bit value, the weightings being realized by corresponding area ratios. The symmetry conditions must be fulfilled for each individual bit, the points of symmetry of all bits having to match, so that the symmetry condition for the complete electrode arrangement is ultimately met.
Für die beiden genannten Lösungsfälle ergeben sich für digitale Modulatoren demnach die folgenden Anordnungen:For the two solutions mentioned, digital modulators result therefore the following arrangements:
Im ersten Fall müssen die Modulatoren ein zur Achse x = 0 spiegelsymmetrisches Elektroden-Layout besitzen, so daß auch eine zu dieser Achse raumzeitlich sym metrische Ausbreitung garantiert ist. Daraus ergibt sich für einen digitalen Mo dulator beispielsweise das in Fig. 3 gezeigte Layout. Der optische Wellenleiter ist durch den in der Mitte zwischen den Elektroden verlaufenden Pfeil (aktiver Kanal 1) dargestellt. Gezeigt ist nur einer der beiden Modulatoren, der andere muß ent sprechend ausgeführt sein.In the first case, the modulators must have an electrode layout that is mirror-symmetrical to the axis x = 0, so that a spatial-temporal symmetrical spread is also guaranteed to this axis. For a digital modulator, this results, for example, in the layout shown in FIG. 3. The optical waveguide is represented by the arrow running in the middle between the electrodes (active channel 1 ). Only one of the two modulators is shown, the other must be designed accordingly.
Der zweite Fall führt zu einem Elektroden-Layout, bei dem die Elektrodengeome trien der beiden Modulatoren durch Drehung um 180° auseinander hervorgehen. Fig. 4 zeigt die Prinzipdarstellung eines solchen Elektroden-Layouts. In der Prin zipdarstellung ist mit 10 der aktive Kanal des Modulators m₁, mit 11 der aktive Kanal des Modulators m₂, mit 12 die gemeinsame Gegenelektrode, mit 13 das bi näre Elektroden-Array des Modulators m₁ und mit 14 das in seiner Anordnung um 180° gedrehte binäre Elektroden-Array des Modulators m₂ bezeichnet.The second case leads to an electrode layout in which the electrode geometries of the two modulators emerge from one another by rotation by 180 °. Fig. 4 shows the basic diagram of such an electrode layouts. In the prin zip representation is with 10 the active channel of the modulator m₁, with 11 the active channel of the modulator m₂, with 12 the common counter electrode, with 13 the bi nary electrode array of the modulator m₁ and with 14 that in its arrangement by 180 ° rotated binary electrode array of the modulator m₂.
Die entsprechenden Verhältnisse für die spiegelsymmetrische bzw. die punkt symmetrische Gestaltung des Elektroden-Layouts für analoge Phasenmodulato ren erfindungsgemäßer Art sind für den Fachmann aus den Fig. 5A bzw. 5B un mittelbar erkennbar.The corresponding ratios for the mirror-symmetrical or the point-symmetrical design of the electrode layout for analog phase modulators of the type according to the invention can be directly recognized by the person skilled in the art from FIGS .
Aufgrund der Erfindung lassen sich mindestens zwei Arten von Elektroden-Lay outs für Sagnac-Interferometer, und zwar sowohl von analogen wie auch von digi talen Phasenmodulatoren, so realisieren, daß bei idealer Arbeitstaktabstimmung der Einfluß von periodischen Störsignalen zuverlässig unterdrückt wird.The invention allows at least two types of electrode layers outs for Sagnac interferometers, both from analog and digi tal phase modulators, so realize that with ideal clocking the influence of periodic interference signals is reliably suppressed.
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2004074775A1 (en) * | 2003-02-21 | 2004-09-02 | Litef Gmbh | Digital phase modulator for a fiber-optic device |
DE10307526A1 (en) * | 2003-02-21 | 2004-09-09 | Litef Gmbh | Digital phase modulator of high resolution for a fiber optic signal transmission or measuring device |
DE10245540B3 (en) * | 2002-09-30 | 2004-09-16 | Litef Gmbh | Process for controlling the operating frequency of a fiber optic gyroscope |
EP2278734A1 (en) * | 2000-09-11 | 2011-01-26 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Phase modulation apparatus and phase modulation method |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2339918B (en) * | 1998-02-05 | 2002-11-27 | Advantest Corp | Optical driver, optical output type voltage sensor and IC testing apparatus using them |
DE10112835B4 (en) | 2001-03-16 | 2006-05-11 | Litef Gmbh | Method and device for current measurement by means of a fiber optic in-line Sagnac interferometer and suitable phase modulator |
DE102010048488B4 (en) * | 2010-10-14 | 2013-01-10 | Northrop Grumman Litef Gmbh | Digital modulator |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5137359A (en) * | 1991-03-18 | 1992-08-11 | Litton Systems, Inc. | Digital phase modulator for fiber optic sagnac interferometer |
EP0498902A1 (en) * | 1991-02-11 | 1992-08-19 | LITEF GmbH | Fiber optic sagnac interferometer with digital phase modulation for measuring rotation rate |
EP0551537A1 (en) * | 1992-01-13 | 1993-07-21 | LITEF GmbH | Method and device to measure rotation rate using a fibre optic sagnac interferometer |
US5237629A (en) * | 1992-03-19 | 1993-08-17 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Digitally controlled distributed phase shifter |
US5400142A (en) * | 1994-05-03 | 1995-03-21 | Alliedsignal Inc. | Fiber optic angular rate sensor including digital phase modulation |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06103187B2 (en) * | 1989-05-12 | 1994-12-14 | 日本航空電子工業株式会社 | Optical interference gyro |
DE4019474A1 (en) * | 1990-06-19 | 1992-01-02 | Standard Elektrik Lorenz Ag | Electro=optical phase modulation adjustment for Sagnac interferometer - using subdivided electrode to which modulating voltage is applied overall prior to selective disconnection from one or more parts |
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1996
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- 1997-07-18 EA EA199900133A patent/EA199900133A1/en unknown
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0498902A1 (en) * | 1991-02-11 | 1992-08-19 | LITEF GmbH | Fiber optic sagnac interferometer with digital phase modulation for measuring rotation rate |
US5137359A (en) * | 1991-03-18 | 1992-08-11 | Litton Systems, Inc. | Digital phase modulator for fiber optic sagnac interferometer |
EP0551537A1 (en) * | 1992-01-13 | 1993-07-21 | LITEF GmbH | Method and device to measure rotation rate using a fibre optic sagnac interferometer |
US5237629A (en) * | 1992-03-19 | 1993-08-17 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Digitally controlled distributed phase shifter |
US5400142A (en) * | 1994-05-03 | 1995-03-21 | Alliedsignal Inc. | Fiber optic angular rate sensor including digital phase modulation |
Cited By (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2278734A1 (en) * | 2000-09-11 | 2011-01-26 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Phase modulation apparatus and phase modulation method |
DE10245540B3 (en) * | 2002-09-30 | 2004-09-16 | Litef Gmbh | Process for controlling the operating frequency of a fiber optic gyroscope |
US7283246B2 (en) | 2002-09-30 | 2007-10-16 | Litef Gmbh | Method for regulating the operating frequency and multifunctional integrated circuit chip for a fiber-optic gyroscope |
WO2004074775A1 (en) * | 2003-02-21 | 2004-09-02 | Litef Gmbh | Digital phase modulator for a fiber-optic device |
DE10307525A1 (en) * | 2003-02-21 | 2004-09-09 | Litef Gmbh | Method and device for increasing the resolution of a digital phase modulator for a fiber optic signal transmission or measuring device |
DE10307526A1 (en) * | 2003-02-21 | 2004-09-09 | Litef Gmbh | Digital phase modulator of high resolution for a fiber optic signal transmission or measuring device |
DE10307526B4 (en) * | 2003-02-21 | 2005-07-28 | Litef Gmbh | High resolution digital phase modulator for a fiber optic signal transmission or measuring device |
DE10307525B4 (en) * | 2003-02-21 | 2006-03-16 | Litef Gmbh | Method and device for increasing the resolution of a digital phase modulator for a fiber optic signal transmission or measuring device |
US7469075B2 (en) | 2003-02-21 | 2008-12-23 | Litef Gmbh | Digital phase modulator for a fiber-optic device |
US7961373B2 (en) | 2003-02-21 | 2011-06-14 | Litef Gmbh | High-resolution digital phase modulator for a fiber-optic signal transmission or measurement device |
CN1751223B (en) * | 2003-02-21 | 2012-07-25 | 利特夫有限责任公司 | Digital phase modulator for a fiber-optic device |
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